Credits: Yale University

Introduzione

I fisici di Yale hanno sviluppato un nuovo dispositivo che combina il concetto di superposizione del gatto di Schrödinger (un sistema fisico esistente in due stati contemporaneamente) con la capacità di correggere alcuni degli errori più difficili in un calcolo quantistico.

Un nuovo studio che riporta la scoperta appare sulla rivista Nature. L’autore principale è Michel Devoret, F.W. Beinecke, professore di Fisica Applicata e Fisica di Yale. I co-autori dello studio sono Alexander Grimm, un ex collaboratore post-dottorato nel laboratorio di Devoret che ora è uno scienziato di ruolo presso l’Istituto Paul Scherrer in Svizzera, e Nicholas Frattini, laureato nel laboratorio di Devoret.

Correzione del flusso degli errori

Ciò che hanno realizzato i fisici della Yale è l’ultimo passo avanti verso lo sforzo di riuscire a padroneggiare e manipolare la fisica necessaria per un creare utili computer quantistici: correggere il flusso di errori che si accumulano tra fragili bit di informazioni quantistiche, chiamati qubit, durante l’esecuzione di un compito.

I computer quantistici hanno il potenziale per trasformare una serie di industrie, dai prodotti farmaceutici ai servizi finanziari, consentendo calcoli che sono di ordini di grandezza più veloci dei supercomputer di oggi.

Yale – guidata da Devoret, Robert Schoelkopf e Steven Girvin – continua a basarsi su due decenni di ricerca quantistica all’avanguardia. L’approccio di Yale alla costruzione di un computer quantistico si chiama “circuito QED” e impiega particelle di luce a microonde (fotoni) in un risonatore a microonde superconduttore.

In un computer tradizionale, le informazioni sono codificate come 0 o 1. Gli unici errori che emergono durante i calcoli sono i “bit-flips“, ossia quando un bit di informazione salta accidentalmente da 0 a 1 o viceversa. Il modo per correggerli è quello di costruire in ridondanza: utilizzando tre bit “fisici” di informazioni per garantire un bit “efficace” – o accurato.

Al contrario, i bit di informazione quantistica – qubits – sono soggetti sia a bit-flips che a “phase-flips”, in cui un qubit salta casualmente tra le superposizioni quantistiche (quando due stati opposti esistono simultaneamente).

Fino ad ora, i ricercatori quantistici hanno cercato di correggere gli errori aggiungendo una maggiore ridondanza, richiedendo un’abbondanza di qubit fisici per ogni qubit effettivo.

Cat-qubit

Questa nuova ricerca utilizza il cat-qubit, che prende il nome dal gatto di Schrödinger, il famoso paradosso utilizzato per illustrare il concetto di sovrapposizione.

L’idea è che un gatto viene messo in una scatola sigillata con una fonte radioattiva e un veleno che si innesca se un atomo della sostanza radioattiva decade. La teoria della sovrapposizione della fisica quantistica suggerisce che finché qualcuno non apre la scatola, il gatto è sia vivo che morto, una sovrapposizione di stati. L’apertura della scatola per osservare il gatto fa sì che cambi bruscamente il suo stato quantistico in modo casuale, costringendolo ad essere o vivo o morto.

Il nostro lavoro nasce da una nuova idea. Perché non usare un modo intelligente per codificare le informazioni in un unico sistema fisico, in modo che un tipo di errore venga soppresso direttamente?”. Si è chiesto Devoret.

A differenza dei qubit fisici multipli necessari per mantenere un qubit efficace, un singolo cat-qubit può impedire il salto di fase da solo; esso codifica un qubit effettivo in sovraposizioni di due stati all’interno di un singolo circuito elettronico – in questo caso un risonatore a microonde superconduttore le cui oscillazioni corrispondono ai due stati del cat-qubit.

Otteniamo tutto questo applicando segnali di frequenza a microonde ad un dispositivo che non è significativamente più complicato di un tradizionale superconduttore qubit “, ha detto Grimm.

I ricercatori hanno detto di essere in grado di cambiare il loro cat-qubit da uno qualsiasi dei suoi stati di sovrapposizione a qualsiasi altro stato di sovrapposizione, a comando. Inoltre, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo modo di leggere – o identificare – le informazioni codificate nel qubit.

Questo rende il sistema che abbiamo sviluppato un nuovo elemento versatile che si spera troverà il suo uso in molti aspetti del calcolo quantistico con circuiti superconduttori“, ha detto Devoret.

Citazioni e Approfondimenti

  • Yale quantum researchers create an error-correcting cat, By Jim Shelton – Yale University
  • A. Grimm et al, Stabilization and operation of a Kerr-cat qubit, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2587-z